A novel photoacoustic approach for methemoglobin detection using visible light
- 주제어 (키워드) Photoacoustic , visible light , methemoglobin , intracorporeal , HIFU
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000070231
- UCI I804:11029-000000070231
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Nearly half of cancers occur deep in the body, and the survival rate is low. Thermal therapy is a method of treating cancer that has occurred in the body with heat without surgery and is a preferred treatment method because it is safe and has few sequelae. A biopsy is performed to confirm cancer treatment and determine recurrence, but it may not be possible depending on the location of the cancer, and it is not possible in real time. For these reasons, an alternative to biopsy is needed. Photoacoustic imaging (PA) is a method of imaging using ultrasound signals generated by the response of living tissue to light. PA is possible to examine the cellular level like a biopsy. However, since the depth of penetration of light in the body is short, conventional PA cannot be applied cancer in deep-lying organ. In this paper, I proposed a new PA method using visible range light (VIS-PA) with high absorbance at oxyhemoglobin (HbO2), deoxyhemoglobin (HbR), and methemoglobin (metHb). It was proposed to distinguish the change of metHb that occurs when thermal therapy is applied. I suggest three types of VIS. First, an extracorporeal (Laser + OPO pump) light method that irradiates light outside the body, which was used in conventional PA. Secondly, an intracorporeal (Catheter + Optical fiber) light method that insert light inside the body and directly irradiates to living tissue. Thirdly, an intracorporeal (Sonoluminescence) light method is generate light inside body remotely. This method can place the light closest to the cancer tissue. It was experimentally verified that changes in metHb due to thermal therapy can be confirmed by VIS-PA using HIFU irradiated porcine livers assuming abundant blood around cancer tissues. In order to distinguish the difference in the degree of metHb change according to the HIFU irradiation, it was confirmed that the Local Hemoglobin Lobe (LHL) was set and the area could be calculated and distinguished. This is a result that can be applied to extracorporeal (Laser + OPO pump) and intracorporeal (Catheter + Optical fiber) light methods, suggesting the possibility of a new PA method that solves the penetration depth problem. Sonoluminescence (SL) is a method that can place the light source closest to the cancer tissue. Single-Bubble Sonoluminescence (SBSL) experiments were performed to measure the characteristics for using PA. The problems and considerations that occurred during the experiment were discussed. When SL is applied as a light source for PA, the linearity between the PA intensity and the ratio of methemoglobin was confirmed through simulation.
more초록 (요약문)
절반에 가까운 암이 체내 깊은 곳에 발생하며 생존율 또한 낮은 것으로 조사되었다. 열치료는 수술없이 체내 발생한 암을 열로 치료하는 방법으로 안전하고 후유증이 적어 선호되는 치료방법이다. 암 치료 확인 및 재발 여부 판단을 위해 조직검사가 수행되지만 암의 위치에 따라 불가능한 경우가 있고 실시간으로 불가능하여 대안이 필요하다. Photoacoustic imaging(PA)은 빛에 대한 생체 조직의 반응으로 발생하는 초음파 신호를 사용해 영상화 하는 방법으로 조직검사와 같이 세포단위의 검사가 가능하다. 그러나 체내에서 빛의 투과 깊이가 짧아 기존의 PA 방법으로는 체내 깊은 곳에서 발생한 암조직의 치료여부를 알 수 없어 개선이 필요한 상황이다. 본 논문에서는 열치료가 가해졌을 때 발생하는 메트헤모글로빈의 변화를 PA로 구별하기 위해 흡광도가 높은 Visible range wavelength(VIS)를 이용한 새로운 PA 방법을 제안하였다. VIS를 이용하는 방법으로 기존 PA에서 사용하던 체외에서 빛을 조사하는Extracorporeal (Laser + OPO pump) 방법, 최소 또는 비침습적 방법으로 체내에서 빛을 직접 조사하는 Intracorporeal (Catheter + Optical fiber, Sonoluminescence) 방법을 제안하였다. 암 조직 주위의 풍부한 혈액을 가정한 돼지 간을 이용해 열치료로 인한 메트헤모글로빈의 변화를 VIS를 사용한 PA로 확인할 수 있음을 실험적으로 검증하였다. HIFU 조사 시간에 따른 메트헤모글로빈 변화 정도의 차이를 구별하기 위해 Local Hemoglobin Lobe (LHL) 영역을 설정해 면적을 계산하여 구별할 수 있음을 확인하였다. 이는 Extracorporeal (Laser + OPO pump), Intracorporeal (Catheter + Optical fiber) 방법에 적용할 수 있는 결과로 침투 깊이 문제를 해결하는 새로운 PA방법의 가능성을 제시하였다. Sonoluminescence (SL)는 광원을 암 조직에 가장 가까이 광원을 위치시킬 수 있는 방법으로 PA 사용되기 위한 특성 측정을 위해 Single-Bubble Sonoluminescence (SBSL) 실험을 수행하였다. 실험과정에 발생한 문제와 해결방법에 대해 토의하였다. SL이 PA의 광원으로써 적용될 경우 예상되는 PA intensity와 메트헤모글로빈의 비율 사이에 선형성을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
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